CN1050292A - 电机多极转子 - Google Patents

Abstract

圆柱形的电机多极转子实际上包括偶数个磁铁 I，最低限度为4个，用硬磁材料制造，一个接一个地 沿圆周布置并互相连接。在转子的横截面上每个磁 铁I是一个扇形，围成扇形的两个半径R的端点之 间的弧长为α，它等于转子的极距τ值。

Description

本发明属于电机类，更确切地说是电机多极转子。

这个发明可以用于电机工业、航空工业、机床制造工业及其他工业部门。

制造装有永久磁铁的电机时，提高单位电气机械特性（电机单位质量的功率、转矩、电动势等）的问题是极为重要的。

解决上述课题可能的途径是提高电机多极转子形成的激励磁通量（以下称磁通量），这要有赖于使用具有良好磁性的各向异性硬磁材料制造磁铁，布置磁铁时更充分地利用转子的容积，以及磁铁磁化的最佳方位。

现有的电机多极转子〔《动力》出版社（莫斯科）1980年出版，《永久磁铁》139～140页，图2～15〕，包括星形多极永久磁铁，箍线紧嵌在星形磁铁上，箍线有些段有弱磁材料制成，它与磁极相连接，并起极靴的作用，这些段与用非磁性材料制成的另些段互相交替布置。

上述多极转子用硬磁材料的铸件制造，并使其在特殊形式的感应器中磁化。

上述多极转子的特点是磁极上磁通量数值很低，这是受到所使用的硬磁性材料的饱和磁性值较低所制约，因为这种材料没有晶体的各向异性。

极靴的存在使产生于邻近极靴之间的磁通漏泄增加，从而导致磁通量降低，并使涡流电流和反复磁化造成的损耗的增加。

除此而外，极靴的存在还导致电机的电感增大。

还有一种电机多极转子（SU6A647797）实际上是圆柱体形状，装有偶数个磁铁，至少有四个，大多是用直线状磁铁结构的硬磁材料制造，沿着圆周布置并互相连接在一起。

在上述多机转子中，每个永久磁铁呈棱柱状，沿着本身的对称轴磁化并附有用弱磁材料制成的极靴。为了使硬磁材料更充分地填满转子，棱柱磁铁有倾斜的侧面，相邻的磁铁沿着这个倾斜侧面互相连接起来。

永久磁铁固定在用弱磁材料制成的轴套上，而永久磁铁之间布置用非磁材料制成的衬套。

转子的上述结构形式不可能充分地填满硬磁材料，由于存在极靴，硬磁材料远离转子圆柱形表面，不可能从根本上增大磁通量。除此而外，由于相邻极靴间产生磁通量漏泄，极靴的存在降低了磁通量，增加涡流电流和反复磁化的损耗，以及导致电机电感的增大。

分布在磁机上的磁荷和分布在轴套表面的磁荷是产生这种磁铁激励磁通的根源。磁极具有弧形的截面，弧形长度比转子极距值小;轴套用弱磁材料制造，轴套上的磁荷形成的磁通的方向与磁极上的磁荷形成的磁通的方向相反。这两个因素-截短的磁机弧和在轴套上存在相反方向的磁通降低了磁极的磁通量。除此而外，截短磁极弧导致规定的磁极弧范围以外的缝隙中感应强度迅速降低。从而导致电动机发出的动量降低。

研制这样一种电机多极转子，它具有的磁铁的形状，可使得转子的磁通量增加，这个课题就是本发明的目的。

提出的这个目的可以这样实现：电机的多极转子实际上做成圆柱形，装有偶数个磁铁，最少有2个磁铁，磁铁用大多是直线状磁体结构的硬磁性材料制造，沿圆周布置并互相连接，根据本发明，在转子的横截面上，每个磁铁成扇形，围成这个扇形的两个半径端点之间的弧长等于转子的磁距，这样，转子的圆柱形表面直接由磁铁的外表面所形成。

为此，使转子横截面上每个磁铁的外表面都是一条与相应的扇形的对称轴对称的曲线，是适宜的。

使转子横截面上每个磁铁的内表面都是与相应的扇形的对称轴对称的曲线，也是有道理的。

所建议的这种电机多极转子产生磁通量，接近所采用的硬磁材料和给定的转子容积的最大可能。

在上述转子中可以使用由直线状晶体和磁体结构的各向异性硬磁材料制造的磁铁，这种材料具有良好的磁性。除此而外，由于没有用弱磁材料制造的部件，上述转子具有良好的退磁稳定性。

在电机中使用上述转子可以降低涡流电流和反复磁化的损耗，因为使用的各向异性硬磁材料具有很小的导电系数。

上述结构使制造磁极个数很多（20个及以上）的转子成为可能，而且磁通量总和（所有磁极）没有本质上的减少。多磁极运用很广泛。例如步进电动机等。

下面，叙述这个结构方案并用附图来详细说明这个发明。这些图是：

图1.根据发明绘制的电机器极转子，端面图;

图2.根据发明绘制的另一种形式磁铁的六极转子，端面图;

图3.不同方位磁化的六极转子磁场的转子表面的法向分量;

图4.如图2所示的转子磁极磁通量（相对单位）与各种不同数量磁极时轴孔半径与转子半径比值的相互关系曲线图。

实际上，电机的多极转子在圆柱体上有偶数个磁铁I（图1），最少是四个，等距离地布置在半径为R的圆周上（在叙述的方案中，四个磁铁I对应于四极转子），一对磁极朝向圆周的中心，而另一对磁极朝向圆的周边并且两对磁极的方向互相交替变化。

磁铁I用硬磁材料制造，而且它们最好用直线状晶体和磁性结构的各向异性硬磁材料制造，因为这种材料具有最好的磁性。

磁铁I是这样布置的，它的一对磁极朝向圆的周边，直接形成转子的圆柱形表面。

在转子的横截面上（图1和图2为转子端面图），每个磁铁I有一段扇形围成扇形的两个半径R的端点间的弧长为α，相对的弧长等于转子磁距τ值，这里τ＝ (α)/(P) ，而P是转子磁极的对数。在上述转子方案中，磁铁I弧形的外表面，与弧形α重合，而内表面2可以是与扇形对称轴3相对称的曲线，即半径为γ的另一个圆周。

在这样的磁铁I的实施方案中，为了布置用非磁材料制造的衬套和轴，在转子上钻出圆形截面的轴孔4。

在图2所示的另一个转子实施方案中，磁铁I的数量等于六，相应称为六极转子。每个磁铁I的外表面由半径为R的圆周上对称分布的两段弧5和连接这两段弧5的端点的弦6所形成，并且通过两个相邻磁铁I的弧5的端点所作的半径R之间形成角β，由条件β＝ (α)/(τ) ＝ (αP)/(2π) 确定。磁铁I外表面的这种实施方案适合以下情况，电机（图中没有注明）定子的磁极数大于转子的磁极数，对于步进发动机这是特有的。

每个磁铁I的内表面2是与扇形对称轴3对称的曲线，并在上述方案中是连接扇形侧面的直线段，在这种情况下，为了布置用非磁性材料制造的衬套和轴，转子的磁铁I形成六面形的轴孔4。

在上述实施方案中，磁铁I可以节省硬磁材料，这个节省随着转子磁极数量的增加而增大。

为了更好地说明本发明的本质和优点，图3介绍了通过计算方法得到的四极转子磁场相对于电机定子内表面的法向分量Bn的分布与弧长α的关系曲线（曲线a对应于沿着磁铁I的对称轴3的方向磁化的转子;曲线b对应于垂直于磁铁I的对称轴3的方向磁化的转子），图4是磁通量φ与图1，图2所示多极转子最大耳能值φmax比值，与上述轴孔4的半径γ与各种数量磁极转子半径R比值之间的关系曲线，曲线a，P＝4;曲线b，P＝8;曲线c，P＝18）。

建议的电机多极转子按下述方法制造。

用硬磁材料按上述形状和根据定子尺寸确定的尺寸制成磁铁I（图1、图2），在定子里安装转子。

如果磁铁I使用直线状晶体和磁性结构的各向异性硬磁材料时，割制（图1）所示磁铁I对称轴3应平行于材料轻微磁化的轴，而（图2）所示磁铁I的对称轴3应垂直于轻微磁化的轴。

然后，割成的磁铁I可以在指定的方向上在双极感应器上磁化，即图（1）的磁铁I平行于它们的对称轴3，而图（2）的磁铁I则垂直于它们的对称轴3。

再后，磁铁I彼此之间连接，为此可以利用非磁性材料制造的胶水或包皮（图中没有显示）。当磁铁I的体积较大时，可以用较小的磁铁拼装，并且应在它们的轻微磁化的轴相对应的方向上按上述要求拼装。在组装过程中，磁铁I可以同时固定在有相应横断面形状的转子的衬套或轴上。

在使用陶瓷材料的情况下，磁铁I可以用粉末工艺的方法制造。

在其他情况下，拼装转子的磁化可以借助多极感应器（与转子的极数相对应）实现，为了得到最理想的磁场布局，转子的轴孔4可以安装通电的导线，磁化过程结束以后再将导线取出。对于一定的转子极数，轴孔4的半径γ按图4根据以下条件选择，即比值 (φ)/(φmax) 为0.95。因此可以看出，随着转子极数的增加，可以在半径γ值较大时，达到最合理的比值 (φ)/(φmax) ，因此可以使硬磁材料得到很大的节省并减少转子的重量。

正如上面所指出的，图1介绍的转子的结构及沿着磁铁I对称轴3的磁化方向，适合于小数量磁极（P＜3）的情况。在这种情况下，轴孔4的半径γ比R小很多，实际上有利于硬磁材料全部充满转子。

在制造转子的上述实施方案中，磁场由分布在磁铁I外表面的磁荷形成，而在磁铁I的分界处没有磁荷。在这种情况下，垂直于定子的法向分量在磁场I的分界处不会产生突变，因为相邻磁铁I的磁化矢量从垂直于这些磁铁I之间分量线按同一个角度排列，这个角度等于 (π)/2 - (π)/(P) 。因此，有赖于内部磁荷，磁通量不会减少。除此而外，在转子的上述结构中可以看到磁场法向分量Bn从磁极中心到极矩边缘缓慢地衰减（图3曲线a），在转子和定子极数相同的电机中可以有效地利用这一点。

和用最理想的具有曲线状磁体结构的材料制造的转子相比较，上述四极转子在磁极上磁通量减少6%，但是实际上只有用晶体各向同性材料才能得到曲线状磁性结构，它的磁性大约比晶体各向异性材料低50%。

试验表明，上述转子比整个由各向同性材料制造的转子，其磁通量和形成的力矩分别大8.7%和7%，而比用同一种材料制造，但固定在用弱磁材料制造的衬套上的拼装转子，大0.5倍。

如图2所示的转子实施方案中，无论分布在磁铁表面，还是分布在相邻磁铁I的分界面上的磁荷，都形成磁场。因为磁铁I被磁化并且布置时，它们以其同名磁极相接触，所以在转子内部产生很强的去磁磁场。在这种转子中，磁铁I用直线状晶体和磁性结构的超临界材料制造（在间接去磁磁场作用以后，可以完全恢复磁通量的材料）。随着转子极数的增加，内部磁荷磁场投入的磁通量不断增大，而表面磁荷不断降低。磁荷投入的这种重新分配，在磁极数变化时，导致定子所有磁极总磁通量的微弱变化，一直到P＝20为止。当定子极矩宽度最大，而工作间隙为0.008R时进行磁通量计算，并且当P＝4时，磁通量接近最大值。转子极数继续增加时，磁通量稍有减少。对于P＝10，总的磁通量达到8个磁极的磁铁总磁通量的96.5%;P＝15时，为93%;P＝20时，为89%。

总磁通量的上述变化，使制造在转子中的有大数量磁极的步进电动机和电磁离合器（P≥20）成为可能，而它们的功率和同步力矩却没有本质上的减少。

包括两段弧5和弦6的磁铁I外面的上述形式可以节省硬磁材料和减少磁铁I的质量。当磁极数很多时，外面可以仅仅保留弦6而不会导致总磁通量的急剧减少。例如当P＝2时，磁通量的减少总计为52%（没有轴孔4且转子与定子间的间隙等于0.008R时），P＝10时，为11%，P＝15时，为7%;P＝40时，为5.5%。

在上述转子实施方案中，垂直于定子表面的磁场的法向分量极小，这是因为内部磁荷都聚集在磁铁I的边界上（图3曲线b）。

为布置用非磁材料制造的主轴的轴孔4的半径γ，可用与上述类似的形式，按图4来选取。

这样，所建议的转子的结构特点可以减少电动机的节距而不降低功率，增加同步力矩和提高灵敏性频率，以及由于没有从本质上减少总磁通量而又减少了转子质量，从而提高电动机的速率。

Claims (3)

1、电机多极转子实际形状是一个圆柱体，包括偶数个磁铁I，最低限度为4个，大多是用具有直线状磁铁结构的硬磁材料制造，沿圆周布置并互相连接，其特点是：在转子的横截面上每个磁铁I是一个扇形，围成扇形的两个半径端点间弧长为α，弧长等于转子的极距(τ)值，並且磁铁I的外表面直接形成转子的圆柱形表面。

2、根据权利要求1的多极转子，其特点在于，在转子的横截面，每个磁铁I的外表面是与相应的扇形的对称轴（3）对称的一条曲线。

3、根据权利要求1或2的多极转子，其特点在于，在转子的横截面上每个磁铁I的内面（2）是与相应的扇形的对称轴（3）对称的一条曲线。

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